带电粒子云的演变过程

根据带电粒子云从破碎点开始向空间扩散过程中粒子云密度和形状的变化规律,以几何形状和起主要作用的因素为特征,定义了球形、椭球形、绳形、螺旋线形、全方位弥漫直至球壳形6个演变阶段.论述了在各个阶段的主要特征和对演变过程起主要作用的因素.分析了在各个阶段电磁场对带电粒子的摄动影响,比较了带电粒子云与不带电粒子云在演化过程上的差异.在球形阶段起主要作用的是分离速度,带电碎片之间的排斥力加快了碎片扩散的速度.从椭球形阶段到球壳形阶段,带电粒子和不带电粒子的演化规律基本一致.带电粒子的演化过程加快或减慢取决于粒子带正电或带负电.将电场摄动力等效于改变地球引力的大小,罗列了阶段转换标志点时刻的计算公式.利用计算机仿真的方法,给出了各个阶段不带电碎片云和带电碎片云分布示意图,验证了演变过程阶段划分和电磁场摄动分析的合理性.      

空间物体解体碎片云的长期演化建模与分析

空间碎片云由空间物体解体产生的大量空间碎片组成,由于其相对集中地分布在有限的空间内,将会对临近航天器产生较大的碰撞威胁。为了分析解体碎片云长期分布特点,文章首先利用数值积分方法对空间碎片云短期分布规律进行了研究;在此基础上,针对处于环状分布的碎片云,根据碎片所在的轨道高度和具有的面质比值,将碎片划分到不同分组,以每个组作为研究对象,建立了描述碎片云在大气阻力作用下的解析演化模型。模型避免了对单个解体碎片的运动状态进行积分,可大大降低对计算资源和计算时间的需求。考虑在高度为1422km 圆轨道上运行的物体,解体产生了1780个碎片,利用解析演化模型得到碎片云未来50年内的演化分布状态。数值结果表明,碎片云的峰值密度在解体物体轨道高度附近,并在大气阻力作用下向更大高度区间内扩散;较低高度区间内碎片密度具有先增加,然后在大气阻力作用下不断减少的特点。     

航天器与短期空间碎片云碰撞概率算法

讨论了航天器与碎片云碰撞概率的提法,介绍了不同碰撞概率间的转换方法。在航天器轨道和碎片云中心轨道都确定情况下,研究了碰撞概率的一般算法;并根据C-W方程推导了只在短时间内有效的简化碰撞概率算法。最后通过蒙特卡洛法验证了简化算法的正确性。     

对一种利用人造粉尘清除空间碎片新方法的理论分析

近地轨道的空间碎片污染日益严重,目前碎片数量已达到历史最高值并可能引发一系列连锁反应.进行主动碎片清除十分必要.利用粉尘主动清除近地轨道空间碎片是一种主动碎片清除的新方法.本文基于此方法的基本原理进行分析研究,建立了单颗碎片与人造粉尘作用的基本假设和机理模型,并对其作用进行定量计算分析;结合碎片的空间密度分布,对该方法的作用效果进行了定量估算,得出一些基本分析结论,有助于对新方法的客观认识.      

基于航天器解体事件的空间碎片寿命算法

研究了针对航天器解体事件所生成的空间碎片的寿命计算方法.给出了基于NASA标准航天器解体模型的航天器解体算法.该算法生成的一系列碎片参数,将作为寿命计算的初始条件.总结了现有求解碎片寿命的算法,并提出了一种半分析算法.该算法运用平均根数法的思路,计算了在J2摄动项的影响下,碎片的半长轴和偏心率的变化率;并采用微分积分法预报半长轴和偏心率随时间的变化.为了适应时变大气模型,该算法限制了计算步长.通过与数值法的比较分析了算法的计算速度和精度.选用了3种大气模型:SA76、GOST和MSIS-00,分析了不同大气模型在计算碎片寿命之间的差异.通过与P-78卫星解体事件的实测数据对比验证了整个算法的正确性.      

针对空间碎片捕获的绕飞轨道设计

地球轨道上日益增长的碎片云已引起各个航天国家的担忧,地球轨道上可编目的空间物体数量30多年内增长了2倍多,若不实施主动清除,碎片的数量将在未来200年内快速增长,给空间系统的安全带来极大的威胁。自然椭圆绕飞轨道可在目标附近长时间绕飞,可保证碎片捕获系统具有长时间的观测、捕获时间。文章提出通过设计绕飞轨道来实现捕获碎片的方案,介绍并分别推导了基于C-W方程和轨道根数两种方式绕飞轨道设计的方法。针对假想的捕获目标,基于轨道根数方法设计了5种脉冲变轨的轨道方案,并进行了相应的轨道算例仿真。仿真结果表明:该方案可适用于任意的初始相位差,具备一定的工程实现意义。     

多碎片移除过程中的路径优化

采用蚁群优化算法对多碎片移除过程中的路径优化问题进行研究，然后采用改进的最速下降法对移除每块碎片的时间进行合理优化，进一步降低总的速度增量需求.对比轨道高度、轨道倾角或者升交点赤经的顺序后发现，采用蚁群算法优化之后的顺序移除碎片可以大大节省轨道转移所需要的速度增量.选取中国空间活动产生的三组碎片进行优化计算，结果显示在相同的任务时间内，优化后的顺序可能不同于轨道高度、倾角和赤经的顺序，并且优化顺序可以节省更多的速度增量.另外，任务时间也会对碎片的最佳移除顺序产生影响.      

基于相控阵雷达波束篱笆的空间碎片数量与分布估计方法

随着载人航天与空间站等航天活动的增多,不能有效防护、也无法定期跟踪和编目的小尺寸(尤其是1～10 cm)碎片的危害越来越受到关注,这些碎片信息的获取依赖于统计采样技术.针对简化的相控阵雷达波束篱笆空间碎片探测模式,提出了一种采用统计技术估计空间碎片总数量以及高度和倾角分布的方法.将碎片穿越波束篱笆的过程用Poisson分布来建模,根据观测时段内穿越波束篱笆目标的平均到达率及测量的轨道高度和倾角数据来估计给定轨道高度范围或倾角范围内碎片的数量,进而得到碎片的总数量以及碎片数量随轨道高度或倾角的分布.在获取雷达散射截面信息时,该方法还可用于估计碎片数量随尺寸的分布.通过仿真实验验证了该方法的有效性.      

基于多项式近似的空间碎片群体轨道预报算法

快速准确地分析空间碎片群轨道演化行为对于其他在轨航天器碰撞规避至关重要。在各摄动力的作用下,空间碎片群演化运动呈现出复杂的非线性特征。空间碎片群体个体数量巨大,如果通过对空间碎片群中每个空间碎片进行轨道积分来分析群体预报的方法会导致计算量过大。针对该问题,提出一种基于多项式近似的轨道快速预报分析方法。该方法将空间碎片群分为少量的标称碎片和其他大量关联碎片。针对标称碎片的轨道预报采用数值积分求解保证预报精度;而针对其他大量的关联碎片轨道预报问题,采用多项式泰勒展开半解析方法求解,从而在保证预报精度的前提下有效减少空间碎片群轨道预报的计算量。为了验证方法的有效性,对不同空间碎片群进行了轨道预报仿真。仿真结果表明,当轨道预报精度设定在1m范围内时,多项式近似算法的计算量较蒙特卡洛方法计算效率提高了2.2~17.2倍,验证了所提出方法的有效性。     

On the effect of considering more realistic particle shape and mass parameters in MMOD risk assessments

One of the primary mission risks tracked in the development of all spacecraft is that due to micro-meteoroids and orbital debris (MMOD). Both types of particles, especially those larger than 0.1 mm in diameter, contain sufficient kinetic energy due to their combined mass and velocities to cause serious damage to crew members and spacecraft. The process used to assess MMOD risk consists of three elements: environment, damage prediction, and damage tolerance. Orbital debris risk assessments for the Orion vehicle, as well as the Shuttle, Space Station and other satellites use ballistic limit equations (BLEs) that have been developed using high speed impact test data and results from numerical simulations that have used spherical projectiles. However, spheres are not expected to be a common shape for orbital debris; rather, orbital debris fragments might be better represented by other regular or irregular solids. In this paper we examine the general construction of NASA’s current orbital debris (OD) model, explore the potential variations in orbital debris mass and shape that are possible when using particle characteristic length to define particle size (instead of assuming spherical particles), and, considering specifically the Orion vehicle, perform an orbital debris risk sensitivity study taking into account variations in particle mass and shape as noted above. While the results of the work performed for this study are preliminary, they do show that continuing to use aluminum spheres in spacecraft risk assessments could result in an over-design of its MMOD protection systems. In such a case, the spacecraft could be heavier than needed, could cost more than needed, and could cost more to put into orbit than needed. The results obtained in this study also show the need to incorporate effects of mass and shape in mission risk assessment prior to first flight of any spacecraft as well as the need to continue to develop/refine BLEs so that they more accurately reflect the shape and material density variations inherent to the actual debris environment.     

基于解体事件的空间碎片轨道演化算法研究

针对航天器解体事件所生成的空间碎片的演化过程,进行了数学分析,确定了新生成的空间碎片的速度增量,在该增量作用下碎片轨道会发生变更,本文根据该增量得出了空间碎片在轨道变更后的轨道根数,分析了在大气阻力摄动作用下,空间碎片的数目和轨道分布的演化情况,给出了相关结果,结果表明此算法可行。     

超高速撞击航天器二次碎片云能量特性分析

为了评估空间碎片超高速撞击航天器的碎片云破坏能力,挖掘超高速撞击数值模 拟结果数据的应用价值,基于9.53 mm铝球以6.64 km/s速度对2.2 mm铝靶撞 击的Ls-Dyna/SPH(Smoothed Particle Hydrodynamic)数值模拟研究结果,对靶后碎片云的 粒子动能进行求和统计,建立了碎片云比动能概念和函数形式;碎片云比动能综合考虑了靶 后所有碎片云粒子的动能,反映了一定距离处垂直于撞击方向平面上单位面积上的碎片云粒 子所蕴含的撞击能量;应用碎片云比动能概念,揭示出随着演化距离的增加,碎片云能量的 衰减规律;通过不同速度条件下的SPH计算,得到了碎片云的比动能函数的曲线形式随撞击 速度的变化规律;最后对采用2种材料模型进行数值模拟所对应的结果误差进行碎片云比动 能函数的曲线比较,反映出数值模拟中不同材料模型引起的差异.      

空间碎片的空间密度算法研究

由于空间碎片的影响, 空间环境日益恶劣,有必要建立空间碎片环境工程模型对空间碎片撞击航天器进行风险评估.本文研究了空间碎片环境模型中的重要环节, 即碎片的空间密度问题,在统计理论与椭圆轨道理论基础上,分析及推导了空间碎片在空间中的分布状况及空间密度,并得出了碎片空间密度的空间坐标函数解析表达式.同时对引入假设条件的合理性进行了讨论,并利用双行元数据对结论进行了验证, 利用本文方法得出的结果与双行元数据吻合.      

A deorbiter CubeSat for active orbital debris removal

This paper introduces a mission concept for active removal of orbital debris based on the utilization of the CubeSat form factor. The CubeSat is deployed from a carrier spacecraft, known as a mothership, and is equipped with orbital and attitude control actuators to attach to the target debris, stabilize its attitude, and subsequently move the debris to a lower orbit where atmospheric drag is high enough for the bodies to burn up. The mass and orbit altitude of debris objects that are within the realms of the CubeSat’s propulsion capabilities are identified. The attitude control schemes for the detumbling and deorbiting phases of the mission are specified. The objective of the deorbiting maneuver is to decrease the semi-major axis of the debris orbit, at the fastest rate, from its initial value to a final value of about 6471?km (i.e., 100?km above Earth considering a circular orbit) via a continuous low-thrust orbital transfer. Two case studies are investigated to verify the performance of the deorbiter CubeSat during the detumbling and deorbiting phases of the mission. The baseline target debris used in the study are the decommissioned KOMPSAT-1 satellite and the Pegasus rocket body. The results show that the deorbiting times for the target debris are reduced significantly, from several decades to one or two years.     

Analysis of laser ranges and angular measurements data fusion for space debris orbit determination

In the framework of space debris, the orbit determination process is a fundamental step, both, for researchers and for satellite operators. The accurate knowledge of the orbit of space debris objects is needed to allow space debris characterization studies and to avoid unnecessary collision avoidance maneuvers.The accuracy of the results of an orbit determination process depends on several factors as the number, the accuracy, the kind of processed measurements, their distribution along the orbit, and the object-observer relative geometry. When the observation coverage of the target orbit is not homogeneous, the accuracy of the orbit determination can be improved processing different kind of observables. Recent studies showed that the satellite laser ranging technique can be successfully applied to space debris.In this paper, we will investigate the benefits of using laser ranges and angular measurements for the orbit determination process. We will analyze the influence of the number of used observations, of the covered arc of orbit, of each observable, and of the observation geometry on the estimated parameters. Finally, using data acquired on short observation arcs, we analyze the achievable accuracies for the orbital regimes with the highest space debris density, and to the consequences of the data fusion on catalog maintenance operations. The results shown are obtained using only real data (both angular and laser measurements) provided by sensors of the Swiss Optical Ground Station and Geodynamics Observatory Zimmerwald owned by the Astronomical Institute of the University of Bern (AIUB) and for some studies also using ranges provided from other stations of the International Laser Ranging Service (ILRS).